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1、实验七 雷诺实验一、实验目的1、观察液体流动时的层流和紊流现象。区分两种不同流态的特征，搞清两种流态产生的条件。分析 圆管流态转化的规律，加深对雷诺数的理解。2、测定颜色水在管中的不同状态下的雷诺数及沿程水头损失。绘制沿程水头损失和断面平均流速的 关系曲线，验证不同流态下沿程水头损失的规律是不同的。进一步掌握层流、紊流两种流态的运动学特性 与动力学特性。3、通过对颜色水在管中的不同状态的分析，加深对管流不同流态的了解。学习古典流体力学中应用 无量纲参数进行实验研究的方法，并了解其实用意义。二、实验原理1、液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态。当液体流速较小时，惯性力较小，粘滞力对质 点起
2、控制作用，使各流层的液体质点互不混杂，液流呈层流运动。当液体流速逐渐增大，质点惯性力也逐 渐增大，粘滞力对质点的控制逐渐减弱，当流速达到一定程度时，各流层的液体形成涡体并能脱离原流层， 液流质点即互相混杂，液流呈紊流运动。这种从层流到紊流的运动状态，反应了液流内部结构从量变到质 变的一个变化过程。液体运动的层流和紊流两种型态，首先由英国物理学家雷诺进行了定性与定量的证实，并根据研究结 果，提出液流型态可用下列无量纲数来判断：Re二Vd/vRe在雷诺实验装置中，通过有色液体的质点运动，可以将两种流态的根本区别清晰地反映出来。在层流 中，有色液体与水互不混惨，呈直线运动状态，在紊流中，有大小不等的
3、涡体振荡于各流层之间，有色液 体与水混掺。2、在如图所示的实验设备图中，取 1-1， 1-2 两断面，由恒定总流的能量方程知：p a V 2p a V 2z H1 += z +v + h1 Y 2g 2 丫 2g f因为管径不变 V1=V2h = （z + 斗）-（z +f 1 Y 2匕）=hY所以，压差计两测压管水面高差Ah即为1-1和1-2两断面间的沿程水头损失，用重量法或体积浊测 出流量，并由实测的流量值求得断面平均流速V = Q，作为lghf和lgv关系曲线，如下图所示，曲线上EC段和 BD 段均可用直线关系式表示，由斜截式方程得： lghf=lgk+mlgv lghf=lgkvm h
4、f=kvm m 为直线的斜率 lgh - lg h式中：m = tg9=f2fTlg v2 - lg v1实验结果表明EC=1，0 =45，说明沿程水头损失与 流速的一次方成正比例关系，为层流区。 BD 段为紊流区， 沿程水头损失与流速的 1.752 次方成比例，即 m=1.752.0， 其中 AB 段即为层流向紊流转变的过渡区， BC 段为紊流向 层流转变的过渡区， C 点为紊流向层流转变的临界点， C 点 所对应流速为下临界流速， C 点所对应的雷诺数为下监界雷 诺数。 A 点为层流向紊流转变的临界点， A 点所对应流速为 上临界流速， A 点所对应的雷诺数为上临界雷诺数。三、实验设备下图
5、是流态实验装置图。它由能保持恒定水位的水箱，试验管道及能注入有色液体的部分等组成。实 验时，只要微微开启出水阀，并打开有色液体盒连接管上的小阀，色液即可流入圆管中，显示出层流或紊 流状态。45697832图 7-1 自循环液体两种流态演示实验装置图1、自循环供水器；2、实验台；3、可控硅无级调速器；4、恒压水箱；5、有色水水管；6、稳水孔板；7、溢流板；8、实验管道；9、实验流量调节阀供水流量由无级调速器调控，使恒压水箱4 始终保持微溢流的程度，以提高进口前水体稳定度。本恒 压水箱还设有多道稳水隔板，可使稳水时间缩短到35分钟。有色水经水管5注入实验管道8,可据有色 水散开与否判别流态。为防止
6、自循环水污染四、实验步骤1、2、微微开启泄水阀及有色液体盒出水阀，使有色液体流入管中。调节泄水阀，使管中的有色液体呈 一条直线，此时水流即为层流。此时用体积法测定管中过流量。3、慢慢加大泄水阀开度，观察有色液体的变化，在某一开度时，有色液体由直线变成波状形。再用 体积法测定管中过流量。4、继续逐渐开大泄水阀开度，使有色液体由波状形变成微小涡体扩散到整个管内，此时管中即为紊 流。并用体积法测定管中过流量。5、以相反程序，即泄水阀开度从大逐渐关小，再观察管中流态的变化现象。并用体积法测定管中过 流量。五、绘图分析在双对数纸上以V为横坐标，hf为纵坐标，绘制lgVlghf曲线，并在曲线上找上临界流速
7、VK上，计算 上临界雷诺数Rek 上 = Vk丄.d并定出两段直线斜率mi, m2。EK 上12vlgh - lghf-flgv -lgv-1将从图上求得的m值与各流区m理论值进行比较，并分析不同流态下沿程水头损失的变化规律。六、思考题1、液体流态与哪些因素有关?为什么外界干扰会影响液体流态的变化？ -、雷诺数的物理意义是什么？为什么雷诺数可以用来判别流态？ 3临界雷诺数与哪些因素有关？为什么上临界雷诺数和下临雷诺数不一样？4流态判据为何采用无量纲参数，而不采用临界流速？ 5分析层流和紊流在动力学特性和运动学特性方面各有何差异？ 6为何认为上临界雷诺数无实际意义，而采用下临界雷诺数作为层紊流的判据？本实验中如在相同 条件下（环境、温度、仪器设备等）测出下临界雷诺数与所测上临界雷诺数有何异同？为什么？
